低電壓欠壓脫扣器研究與設(shè)計(jì)范文
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《電氣技術(shù)雜志》2014年第七期
1.1電磁鐵參數(shù)DW50斷路器所采用的欠壓脫扣器，其電磁鐵普遍采用“聯(lián)合設(shè)計(jì)”的電磁鐵，其電參數(shù)如下。線圈參數(shù)：0.17，7600匝，580；始動(dòng)電壓（Vs）：150V；工作電壓（Vo）：30V；維持電壓（Vm）：9.5V。電磁鐵可以在一個(gè)很寬的電壓范圍內(nèi)工作。結(jié)合斷路器用欠壓脫扣器特點(diǎn)，控制電路應(yīng)向電磁鐵提供一合適功率，防止電磁鐵“震脫”[3]。
1.2方案研究由電磁鐵特性可知，電磁鐵吸合時(shí)的“始動(dòng)電壓（功率）”往往比“維持電壓（功率）”高出許多。欠壓脫扣器裝配于斷路器中，斷路器主觸頭系統(tǒng)合閘時(shí)會(huì)產(chǎn)生框架震動(dòng)，為保持電磁鐵動(dòng)鐵心不會(huì)自行脫落，要求電磁鐵線圈有一個(gè)大于維持電壓的“工作電壓（功率）”。無論是直流24V輸入，或是交流24V輸入，控制電路直接驅(qū)動(dòng)電磁鐵，不能正常工作。為此，設(shè)計(jì)低電壓欠壓脫扣器方案如圖1所示。輸入電壓經(jīng)EMC電路抗干擾濾波后，形成二次電壓接橋式整流器B1，B1的輸出定義為SP。對于直流電壓輸入，起到極性轉(zhuǎn)換作用；對于交流輸入，由B1整流為脈動(dòng)直流。SP經(jīng)D0隔離、C1濾波后接至升壓電路，同時(shí)接電電源電路。電源電路產(chǎn)生12V電壓供升壓電路與開關(guān)電路，生產(chǎn)的5V電壓供片機(jī)電路。SP同時(shí)接由R1、R2組成的采樣電路，采樣信號SA送單片機(jī)。單片機(jī)控制升壓電路與開關(guān)電路。
1.3主電路與儲(chǔ)能電容與一般升壓電路不同，為了避免電磁鐵動(dòng)——靜鐵心之間的撞擊，提高電磁鐵的工作次數(shù)，以始動(dòng)電壓（功率）足夠、平穩(wěn)過渡到工作電壓（功率）的方式為最佳。即，VH電壓首先充電到150V（A點(diǎn)），然后接通開關(guān)電路（K），依靠電容電荷釋放做功吸合電磁鐵。隨后將輸入電壓提升高工作電壓30V（B點(diǎn)），如圖2（a）所示。設(shè)升壓電路中的濾波電容為C2，充電電流為iL，電磁線圈等效為電感DL、內(nèi)阻DR，開關(guān)電路為K，主電路結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示。K閉合瞬間，電磁鐵獲得的始動(dòng)功率是來自輸入電源的電流iL和電容放電電流iC共同產(chǎn)生的功率。電容C2的放電時(shí)間t2要大于電磁鐵的觸動(dòng)時(shí)間與吸合時(shí)間之和[4]。根據(jù)C2對DR的放電功率，有已知電磁鐵觸動(dòng)與吸合時(shí)間之和為5.6ms，電容放電電流取初始電流（I=150V/580）代替，可求出電容器容量為112F，取100F。實(shí)驗(yàn)過程中，通過觀察C2對電磁鐵的放電電流，在電磁鐵動(dòng)鐵心正好運(yùn)動(dòng)到結(jié)束時(shí)為止。既可以確保電磁鐵可靠吸合，又可以避免動(dòng)鐵心對靜鐵心之間的過渡沖擊。
2主要單元電路設(shè)計(jì)
2.1升壓電路單片機(jī)發(fā)出PWM控制信號CO，經(jīng)三極管T1放大后推動(dòng)由T2與T3組成的推挽電路，驅(qū)動(dòng)MOS管T4。儲(chǔ)能電感L1輸入端直接連接VA，輸出端經(jīng)D1接電容C2。R6與R7、R8組成電壓取樣電路。取樣信號經(jīng)Z1限幅后接三極管T5，T5集電極信號VINT輸出至單片機(jī)。R9、R10分別為T5的基極、集電極偏置電阻。第一階段（空載）升壓時(shí)，單片機(jī)輸出低電平信號LV，R8可視為短路，分壓比較小，VH電壓值充電到目標(biāo)值后，VZ擊穿穩(wěn)壓管Z1，經(jīng)T5放大后，VINT由高電平轉(zhuǎn)為低電平,引發(fā)單片機(jī)中斷。第二階段恒壓時(shí)，單片機(jī)將輸出信號LV設(shè)置為高阻態(tài)，R8加入取樣電路，進(jìn)行同樣的反饋過程。設(shè)第一、第二階段取樣信號VZ相同，則可在假設(shè)電阻值R6、R7的前提下得到R8具體參數(shù)。由于主電容C2取值較大，儲(chǔ)能電感可按電感電流臨界模式估算：由于電磁鐵工作電壓范圍很寬，利用單片機(jī)生產(chǎn)PWM控制升壓電路，結(jié)合升壓電路反饋信號至單片機(jī)，即可滿足電磁鐵的正常工作。
2.2信號采樣圖1中的R1、R2組成電壓采樣回路，采樣信號送入單片機(jī)。上電后，單片機(jī)首先啟動(dòng)定時(shí)器1定時(shí)100ms，并令SA輸入引腳為邊沿觸發(fā)中斷方式。在這100ms時(shí)間內(nèi)無中斷觸發(fā)，表明為輸入電壓為直流電壓，否則為交流電壓。交流電壓輸入時(shí)，中斷觸發(fā)定時(shí)器2的時(shí)間，即為輸入電壓半個(gè)周期的時(shí)間。舍去第一次、最后一次定時(shí)器2記錄的時(shí)間，將其余周期時(shí)間求均值算出電網(wǎng)周期值，然后均分為32等分，即按每半個(gè)周期采樣32點(diǎn)進(jìn)行采樣，進(jìn)行有效值計(jì)算。對于直流輸入，則直接求32次采樣值的均值。
2.3單片機(jī)電路單片機(jī)完成信號采樣之外，還控制升壓電路與開關(guān)電路。單片機(jī)電路包含3位BCD撥碼電路。單片機(jī)先行輸出LV低電平，并向升壓電路CO輸入PWM升壓，直至反饋信號VINT為低電平時(shí)，將CO置高電平。一旦VINT為高電平時(shí)，單片機(jī)再度向CO輸入PWM信號進(jìn)行升壓，保持VH為一恒定啟動(dòng)高壓。在這過程中，單片機(jī)同時(shí)檢測輸入電壓的大小，當(dāng)輸入電壓信號大于85%的Ue后，單片機(jī)控制開關(guān)電路接通電磁鐵。完成電磁鐵起動(dòng)之后，單片機(jī)置LV為高阻態(tài)，同樣使得VH恒定在電磁鐵工作電壓附近。單片機(jī)讀取3位BCD撥碼開關(guān)狀態(tài)。3位BCD撥碼全部斷開時(shí)，表示“瞬時(shí)”脫扣；3位BCD撥碼其余不同組合狀態(tài)，分別表示0.5、1、2、3、5、6、10s欠壓延時(shí)斷開時(shí)間。當(dāng)輸入電壓信號小于50%的Ue后，單片機(jī)按BCD撥碼不同組合狀態(tài)，控制開關(guān)電路電磁鐵斷開。單片機(jī)全局處于停機(jī)（STOP）狀態(tài)，采用32等分的定時(shí)中斷激活方式工作，既可有效降低自身功耗又提高了抗擾能力。
3結(jié)論
欠壓脫扣器在不同的實(shí)際應(yīng)用場合，操作電壓不盡相同，也可能電源頻率不同。對于不同電壓等級、不同電源頻率，使用同一種電磁鐵作為欠壓脫扣的基礎(chǔ)元件，既可以避免斷路器制造過程中的麻煩，又為斷路器性能檢驗(yàn)提供了方便。本文研究的低電壓交直流欠壓脫扣器，沿用DW50欠壓脫扣器之電磁鐵，充分發(fā)揮電子技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，具備抗擾能力強(qiáng)、起動(dòng)可靠、脫扣準(zhǔn)確、延時(shí)脫扣的延時(shí)時(shí)間值精確等優(yōu)點(diǎn)。產(chǎn)品全面經(jīng)受1.5倍電網(wǎng)電壓老化、脈沖群考核試驗(yàn)。提供了一種低電壓下使用較高工作電壓電磁鐵的解決方案。
作者：吳志祥彭穎吳惠娟鄒世偉單位：常州工學(xué)院江蘇省武進(jìn)職業(yè)教育中心校 江蘇國星電器有限公司